Кристаллы времени предложили использовать для создания сверхточных квантовых часов
Новое теоретическое исследование предполагает, что экзотическое состояние материи, известное как кристалл времени, может произвести революцию в области хронометрии, предложив основу для создания квантовых часов, превосходящих по точности современные лазерные атомные эталоны времени. Современные атомные часы, необходимые для работы систем GPS, спутниковой связи и проверки фундаментальных законов физики, невероятно точны, но при этом громоздки, потребляют много энергии и сложны в эксплуатации за пределами специализированных лабораторий. В основе их работы лежит охлаждение атомов или ионов лазерами до сверхнизких температур для возбуждения электронов и последующего измерения частоты испускаемого ими света. Однако такая сложная структура требует постоянного внешнего воздействия и тщательной изоляции от помех, что делает поддержание стабильности технически сложной и энергозатратной задачей.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предлагают взглянуть на проблему измерения времени под другим углом, используя уникальные свойства кристаллов времени. В отличие от обычных кристаллов, структура которых повторяется в пространстве, кристаллы времени демонстрируют повторяющееся изменение своего внутреннего состояния во времени, причем этот ритмичный процесс происходит самопроизвольно, без постоянной подпитки энергией извне. Ученые построили математическую модель системы из ста квантовых частиц, каждая из которых могла находиться в одном из двух спиновых состояний. Они сравнили два режима работы системы: обычный, когда колебания коллективных спинов частиц возникают только под воздействием внешнего лазерного поля, и режим кристалла времени, когда система генерирует устойчивый ритм самостоятельно.
В ходе анализа выяснилось, что при попытке измерения сверхмалых промежутков времени точность обычной фазы системы быстро падала. В то же время фаза кристалла времени продемонстрировала гораздо более высокую устойчивость к потере точности в тех же условиях. Врожденный, внутренне генерируемый ритм кристалла времени обеспечивает более стабильный опорный сигнал, что, по мнению исследователей, указывает на его потенциал как более совершенной основы для квантовых часов. Ученые отмечают, что квантовые кристаллы времени являются подлинными квантовыми часами, чьи характеристики улучшаются благодаря спонтанному нарушению симметрии трансляции времени, то есть ситуации, когда фундаментальные физические законы перестают быть неизменными во времени для данной системы. Хотя работа носит теоретический характер и создание действующего прототипа потребует значительного технологического прогресса для преодоления влияния шумов и несовершенств реальных систем, она закладывает прочный математический фундамент для разработки квантовых часов нового поколения, которые в будущем могут найти применение в области защищенных коммуникаций и навигации высокого разрешения.